Chapitre 6 Vers le développement d’un démonstrateur WDM, 20G, 3D
6.3. Simulations et conception des liens WDM
∆ =∆
6.3. Simulations et conception des liens WDM
Dans cette section, nous allons détailler comment concevoir un lien WDM (Wavelength Division Multiplexing) à base d’anneaux résonants. Nous ne regardons que la partie transmetteur qui est constituée d’anneaux all-pass.
Un lien WDM consiste à cascader plusieurs anneaux sur un même guide d’onde droit. Ce guide transporte plusieurs longueurs d’onde qui vont interagir chacune avec un anneau distinct. Les longueurs d’onde de résonance sont réglées en modifiant légèrement la circonférence des anneaux. Elles doivent également s’intercaler sur une distance d’un intervalle spectral libre (FSR) tout en étant les plus espacées possibles pour ne pas créer de diaphonie entre les différents canaux. Dans un premier temps, nous définirons les caractéristiques des anneaux utilisés pour le lien WDM (dimension, couplage, espacement inter-canal, etc…). Puis dans une seconde partie, nous montrerons l’impact de la diaphonie sur la transmission des données et évaluerons grâce à des simulations électro-optiques une pénalité en puissance de diaphonie. Enfin, après validation du design du lien WDM, nous expliquerons leur conception et leur layout en vue du démonstrateur 3D.
6.3.1. Théorie sur les liens WDM
Notre objectif est de concevoir un lien constitué de 16 canaux, chacun autorisant un débit de 20 Gb/s afin d’obtenir une bande passante totale de 320 Gb/s (un total de 2.5 Tb/s avec 8 liens identiques). Le design des modulateurs en anneaux repose sur les anneaux étudiés au Chapitre 2 et au Chapitre 3. En effet, les caractéristiques de l’anneau 20G ont été validées pour un fonctionnement à 20 Gb/s, ce qui nous assure a priori que les anneaux pris séparément seront fonctionnels. Il ne reste qu’à étudier l’association de ces anneaux dans un lien WDM.
Les propriétés des anneaux étudiés sont récapitulées dans le Tableau 17. Les caractéristiques statiques ainsi que les bandes passantes optique et électrique sont estimées à partir du modèle Matlab développé dans le Chapitre 2 et confirmé par les mesures effectuées sur l’anneau 20G dans le Chapitre 3. La longueur de couplage des anneaux se base sur une longueur fixe de 2 µm mais elle sera légèrement modifiée d’un anneau à l’autre afin de modifier leur longueur d’onde de résonance.
Dimensions Dopage Couplage, pertes et
facteurs correctifs Caractéristiques statiques Bande passante
= µm = nm = nm ℎ = nm = nm = nm = . cm− = . cm− += . cm− += . cm− = % = dB/m = �= . = . ≈ nm ≈ . ≈ . = . nm − = dB = pm ℚ = ∆ ℎ = . pm/V = . dB = . dB = f� = � � = ps = ��z = ��z
Tableau 17. Caractéristiques des anneaux des liens WDM
La première étape est de définir l’espacement inter-canal ∆ séparant chaque longueur d’onde de résonance. Le FSR des anneaux est de 7.5 nm et doit inclure 16 pics de résonance. Ainsi l’écart entre deux résonances est fixé à ∆ =
. nm, ce qui correspond à un écart fréquentiel de ∆ = ��z. Nous déterminons ensuite quelle variation du périmètre de l’anneau ∆ permet d’obtenir une variation de 0.45 nm de la longueur d’onde de résonance. Pour cela, nous utilisons l’équation (6-7), équivalente à l’équation (6-8) où est le nombre de canaux du lien. Le détail des calculs permettant d’aboutir à ces expressions est donné dans l’Annexe 1.
(6-7)
(6-8) Pour un espacement de 78 GHz, la variation de la circonférence des anneaux est de 30 nm, donc la variation de la longueur de couplage est de ∆ = ∆ ⁄ = nm. Les anneaux successifs auront donc une longueur de couplage de 2 µm, 2.015 µm, 2.030 µm, …, 2.210 µm, et 2.225 µm.
Lorsqu’un lien WDM est mis en œuvre, le nombre maximum de canaux du transmetteur est limité par la diaphonie intermodulation (inter-modulation crosstalk). La diaphonie intermodulation est définie comme l’impact des canaux adjacents sur le spectre de l’anneau considéré. En effet, si deux pics de résonance sont très proches l’un de l’autre, une partie de la puissance optique va être capturée par le spectre voisin ce qui conduit à une dégradation du signal transmis
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= log ( − − − + ) = − ℎ = log ( − ) − log ( ′ − )par l’anneau considéré. La diaphonie sera d’autant plus importante que l’intervalle spectral libre est petit (c’est-à-dire un espacement inter-canal réduit) et/ou que les pics de résonance sont larges (c’est-à-dire un facteur de qualité faible). Afin de quantifier la diaphonie, une pénalité en puissance de diaphonie est définie. Cette pénalité correspond à la puissance optique supplémentaire fournie en entrée du lien WDM lorsque l’espacement ∆ est réduit afin de maintenir un BER constant. Cette définition de la pénalité se prête facilement à une quantification expérimentale de la diaphonie d’un anneau, ce qui est utilisé par exemple dans les travaux de Hasitha Jayatilleka (université de Colombie-Britannique) [179] ou de Antoine Descos (HP Labs) [180]. Ici, nous cherchons à mettre en équation la pénalité de diaphonie en se basant sur les études réalisées par l’université de Columbia (Kishore Padmaraju [181] et Meisam Bahadori [158] [182]).
Le schéma de la Figure 6.17 (a) décrit la modulation du spectre de transmission d’un anneau entre 0V et -2V. La pénalité de transmission est alors considérée entre les niveaux de puissance et . Lorsqu’un anneau adjacent vient perturber la modulation (spectre rouge), le niveau est dégradé et remplacé par le niveau ′ en présence de diaphonie. Nous faisons l’approximation que le niveau est peu impacté par la diaphonie. Nous définissons alors la pénalité de diaphonie comme la différence entre la pénalité de transmission de l’anneau considéré sans diaphonie (spectres bleus) et la pénalité de transmission de l’anneau avec diaphonie (spectre rouge). La pénalité de diaphonie s’exprime comme (6-9). Cette équation peut se réécrire en fonction de la largeur et de la profondeur − du pic de résonance. Les détails du développement permettant d’aboutir à l’équation (6-10) sont donnés dans l’Annexe 1.
(6-9)
(6-10)
est la distance entre le pic de l’anneau modulé et le pic de l’anneau adjacent. Sa valeur dépend si nous considérons l’anneau adjacent à droite ou à gauche de l’anneau principal :
Si ′ > , soit ∆ > , nous avons = ∆ − ∆ ℎ car la modulation de l’anneau implique un décalage vers les longueurs d’onde croissantes (cas de la Figure 6.17 (a)).
Si ′ < , soit ∆ < , nous avons = ∆ car le pic non modulé est le plus proche du pic adjacent.
(a) (b)
Figure 6.17. (a)Schéma des spectres de transmission d’un anneau modulé (en bleu) et de l’anneau adjacent (en rouge), (b) Pénalité de diaphonie en fonction de l'espacement inter-canal
A partir de l’équation (6-10), nous traçons à la Figure 6.17 (b) la pénalité de diaphonie en fonction de l’espacement inter-canal pour l’anneau défini ci-dessus (cf. Tableau 17). Plus les canaux sont rapprochés, plus la diaphonie sera importante. De plus, nous notons la légère asymétrie des deux branches de la courbe. En effet, comme le pic de résonance de l’anneau se décale vers la droite, l’anneau adjacent à droite aura un impact plus fort sur la diaphonie intermodulation, ce qui se traduit par une pénalité plus élevée pour la courbe bleue que pour la courbe rouge à espacement identique des canaux. Pour un espacement de 78 GHz (450 pm), la pénalité est estimée à 0.065 dB, ce qui semble raisonnable par rapport aux pertes globales dans un lien WDM (cf. section 6.1.2).
Transmission Δ shift T1 T0 Tmax ≈ 1 T’1 laser = res +Δ shift
res ’res = res +Δ WDM
= V = − V
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L’expression (6-10) de la pénalité de diaphonie repose sur plusieurs approximations qui sont décrites dans l’Annexe 1. C’est pourquoi, il est nécessaire d’obtenir une estimation de la diaphonie par un autre moyen afin de confirmer que notre design de lien WDM à 78 GHz ne sera pas trop pénalisé. La conception d’un DoE et des mesures expérimentales n’ont pas pu être réalisées à cause des contraintes temporelles de ce projet. Ainsi nous avons cherché à estimer la pénalité de diaphonie par des simulations électro-optiques de liens WDM.
6.3.2. Simulation électro-optique des liens WDM : Estimation de la
pénalité de diaphonie
Les simulations électro-optiques d’un lien WDM ne peuvent pas être réalisées avec le logiciel ADS en utilisant la même stratégie qu’à la section 5.2.2 ou à l’Annexe 4 car le post-traitement mathématique ne permet pas de cascader plusieurs modulateurs. Nous allons simuler les liens WDM à partir de la plateforme Eldo et d’un modèle Verilog-A qui sont mieux adaptés pour des systèmes optiques complexes car les modèles des composants optiques sont directement pris en compte par la simulation. Ainsi, il est facile d’assembler plusieurs composants optiques entre eux et de simuler un lien WDM. La plupart des composants optiques des librairies PIC25G et PIC50G disposent d’un modèle Verilog-A développé en interne à STMicroelectronics et/ou co-développé avec le CEA-LETI. Ces modèles se basent sur la définition de bus optiques qui transportent les données de puissance comme pour un signal électrique mais également les données de phase et de longueur d’onde. Les modèles Verilog-A sont compatibles avec les technologies CMOS classiques du domaine de la microélectronique, ce qui permet de combiner les composants optiques et électroniques dans une même simulation. En ce qui concerne l’anneau résonant, son modèle a été développé récemment par André Myko du CEA-LETI et repose sur les équations de l’approche round-trip comme montrées au paragraphe 2.3.2. André a inclus dans son modèle les configurations all-pass et add-drop, ainsi que la modulation de l’anneau par une jonction PN, une jonction PIN ou une résistance chauffante. La modélisation de l’anneau est toutefois basée sur les anneaux conçus et mesurés par le CEA-LETI. Nous avons pris le soin de réviser ce modèle et de l’adapter afin de simuler le comportement des anneaux du lien WDM définis dans la section précédente (Tableau 17). Nous avons notamment intégré la modélisation RF de la jonction PN sous forme d’une capacité variable ( ) et d’une résistance fixe ( ). Le code Verilog-A ne peut pas être diffusé pour des raisons de confidentialité.
L’étape suivante consiste à créer une netlist SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) qui comporte la liste des composants utilisés et leurs connexions entre eux et sert de fichier d’entrée pour le simulateur. Dans un premier temps, nous n’avons simulé qu’un seul anneau modulé par une tension de 0 à -2V afin de vérifier que les résultats soient conformes à la modélisation Matlab. Puis nous avons créé la netlist du lien WDM à 16 anneaux. Les anneaux sont identiques sauf leur longueur de couplage qui varie de 2 µm à 2.225 µm par pas de 15 nm. Les anneaux sont cascadés les uns à la suite des autres. En entrée, une source optique injecte un signal constant de longueur d’onde réglable et d’une puissance fixée à 1 mW. En sortie, une terminaison optique permet de terminer le lien et d’éviter les réflexions retour. Chaque anneau est modulé par une source de tension indépendante entre 0 et -2V. Les signaux électriques sont des signaux LFSR (Linear Feedback Shift Register) qui peuvent s’apparenter à des signaux aléatoires si la fonction de feedback est choisie de façon à avoir un cycle de répétition très long. La netlist inclut également une impédance parasite aux bornes de chaque diode PN afin de modéliser les composants , et du modèle circuit des anneaux ( et sont directement modélisés dans le code Verilog-A).
Les simulations sont réalisées à partir du simulateur Eldo. Nous commençons par effectuer des simulations statiques en fonction de la longueur d’onde injectée dans le lien, ce qui permet de tracer les spectres de transmission. La Figure 6.18 (a) superpose les spectres de chacun des anneaux simulés séparément (spectres bleus) et le spectre de l’ensemble du lien WDM. Comme attendu, les pics de résonance sont régulièrement espacés. Ici, contrairement à une mesure réelle, il n’y a pas de besoin de réaligner les pics car la simulation ne prend pas en compte les variations de fabrication ou de température. Nous nous intéressons par exemple à la diaphonie de l’anneau n°2. Pour cela, nous traçons également le spectre de transmission de l’anneau n°2 lorsque celui-ci est soumis à une tension de -2 V pour les deux configurations : anneau seul ou anneau intégré dans le lien WDM. La Figure 6.18 (b) illustre le résultat. Nous identifions la longueur d’onde optimale de modulation correspondant au minimum de pénalité de transmission : = . nm. Celle-ci n’est pas modifiée par l’introduction des anneaux adjacents et de la diaphonie. Dans chacun des cas, nous relevons les valeurs des puissances optiques des niveaux haut et bas et calculons le taux d’extinction, les pertes d’insertion et la pénalité de
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transmission correspondante. Ces valeurs sont résumées dans le Tableau 18. Nous pouvons alors estimer la pénalité de diaphonie par la différence des pénalités de transmission. Nous obtenons une pénalité de diaphonie statique de 0.41 dB.
(a) (b)
Figure 6.18. (a) Spectres de transmission des 16 anneaux pris séparément ou cascadés dans un lien WDM, (b) Zoom sur l’anneau n°2 modulé entre 0 et -2V
Nous réalisons également des simulations transitoires afin de calculer la pénalité de diaphonie dynamique à partir du tracé des diagrammes de l’œil. Elles sont effectuées à 20 Gb/s pour la longueur d’onde optimale identifiée précédemment. Nous utilisons la même méthode qu’avec les simulations statiques, à savoir une simulation de l’anneau n°2 seul puis une simulation du lien complet. Les simulations de l’anneau seul ne sont pas représentées mais les caractéristiques du diagramme de l’œil sont résumées dans le Tableau 18. En ce qui concerne les simulations du lien WDM, l’évolution temporelle de certains des signaux est illustrée à la Figure 6.19 (a) :
Le tracé bleu représente la tension de modulation appliquée sur l’anneau n°2. Les signaux électriques appliqués sur les autres anneaux sont similaires mais tous différents.
Le tracé rouge représente la puissance optique en sortie de l’anneau n°1, c’est-à-dire à l’entrée de l’anneau n°2. Il reproduit la modulation appliquée sur l’anneau n°1 (qui est bien différente du tracé bleu) mais l’amplitude de modulation optique est très faible (environ 5 µW) car la longueur d’onde du signal optique n’est pas réglée sur l’anneau n°1 mais sur l’anneau n°2.
Le tracé vert représente la puissance optique en sortie de l’anneau n°2. Comme la longueur d’onde du laser impose de se placer dans le pic de résonance, la puissance moyenne est nettement réduite mais l’amplitude de modulation est bien plus élevée (environ 150 µW). De plus, le signal optique reproduit exactement la tension de modulation (tracé bleu) et nous pouvons remarquer également des résidus de modulation de l’anneau n°1 lorsque la puissance reste un certain temps au niveau 1 ou 0.
Le tracé mauve représente la puissance optique en sortie de l’anneau n°16. Le signal est progressivement atténué et retardé à chaque passage par un anneau mais la modulation de l’anneau n°2 est bien transmise.
(a) (b)
Figure 6.19. (a) Evolution temporelle de la tension de modulation de l’anneau n°2, des puissances optiques après les anneaux n°1, 2 et 16. (b) Diagrammes de l’œil à 20 Gb/s des puissances optiques en sortie des anneaux n°2 et 16.
La Figure 6.19 (b) montre les diagrammes de l’œil à 20 Gb/s des puissances optiques en sortie des anneaux n°2 et n°16. Les diagrammes sont largement ouverts et exempts de jitter et d’interférences inter-symboles (ISI) car contrairement aux
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simulations électro-optiques réalisées sous ADS, nous ne prenons pas en compte les dégradations liées à l’assemblage EIC-PIC et à l’environnement de mesure. Les caractéristiques des deux diagrammes de l’œil sont données dans le Tableau 18. Similairement aux simulations statiques, nous en déduisons la pénalité de diaphonie dynamique qui est de 0.50 dB. En conclusion de cette étude, les cosimulations des anneaux résonants montrent que la diaphonie intermodulation est à l’origine d’une pénalité supplémentaire de l’ordre de 0.5 dB, à prendre en compte dans le bilan de liaison d’un lien WDM dont l’espacement inter-canal est fixé à 78 GHz. Cette pénalité n’est pas négligeable vis-à-vis des autres pertes d’un lien WDM mais, sur la base de ces simulations, la diaphonie ne semble pas compromettre la bonne transmission des données. L’architecture du lien à 16 anneaux est donc validée et sera la base du circuit photonique développé pour réaliser le démonstrateur 3D d’une communication WDM chip-to-chip.
Enfin, remarquons que la modélisation et les simulations utilisées dans cette section seront très utiles pour la conception de futurs circuits à base d’anneaux résonants. Le modèle de l’anneau pourra notamment se complexifier pour implémenter également des filtres en anneaux. Les simulations, quant à elles, pourront inclure également les circuits électriques (driver, TIA) ainsi que d’autres composants modélisant les connexions optiques et électriques (CuP, câble RF, couplage d’un fiber-array sur la puce, etc…).
Mesures statiques sur les spectres de
transmission Mesures dynamiques sur les diagrammes de l’œil
Anneau n°2 seul Lien WDM Anneau n°2 seul Lien WDM, après l’anneau n°2 Lien WDM, après l’anneau n°16 Puissance optique du niveau 1 (mW) 371 338 370 354 333 Puissance optique du niveau 0 (mW) 201 183 208 201 189 ER (dB) 2.66 2.66 2.50 2.46 2.46 IL (dB) 5.43 5.84 5.39 5.57 5.83 TP (dB) 10.7 11.1 10.9 11.2 11.4 Pénalité de diaphonie (dB) 0.41 0.50
Tableau 18. Mesures de la pénalité de diaphonie intermodulation
6.3.3. Conception des liens WDM pour le démonstrateur WDM
L’architecture du démonstrateur 3D final ressemblera à celle de la Figure 6.1 présentée en introduction. Dans ce paragraphe, nous allons expliquer comment est conçue la partie transmetteur des liens qui est constituée de 8 liens WDM. Si les 8 liens WDM transportent chacun 16 canaux à 20 Gb/s comme le lien simulé dans le paragraphe précédent, l’ensemble du transmetteur atteindrait un débit total de 2.5 Tb/s (soit 320 GB/s). Cependant, afin d’assurer le fonctionnement d’au moins un lien WDM et d’aider à comprendre le dysfonctionnement potentiel d’un lien à 16 canaux, nous implémenterons un lien à 4 canaux (L5), 2 liens à 8 canaux (L6 et L7), un lien à 12 canaux (L8) et 4 liens à 16 canaux (L1 à L4). De plus, l’un des liens à 16 canaux (L1) intégrera des anneaux plus petits que le design proposé au Tableau 17 afin d’élargir l’intervalle spectral libre et de réduire les contraintes de diaphonie.
Les anneaux des liens L2 à L8 sont tous identiques et basés sur les paramètres du Tableau 17. Leur rayon est de 8 µm et le gap entre l’anneau et le guide droit est de 250 nm pour viser un coefficient de couplage de 5%. Le FSR est de 7.5 nm ce qui implique les espacements inter-canal et les longueurs de couplage suivants (équations (6-7) et (6-8)) :
L2, L3 et L4 (16 canaux) : ∆ = ��z, ∆ = . nm, ∆ = nm ; L5 (4 canaux) : ∆ = ��z, ∆ = . nm, ∆ = nm ;
L6 et L7 (8 canaux) : ∆ = ��z, ∆ = . nm, ∆ = nm ; L8 (12 canaux) : ∆ = ��z, ∆ = . nm, ∆ = nm.
Les anneaux du lien L1 ont un rayon de 6.5 µm et la part fixe de la longueur de couplage est conservée à 2 µm. Le coefficient de couplage visé est également de 5% mais comme le rayon est réduit, le gap est ici de 230 nm. Le FSR est de 9.1 nm ce qui conduit à un espacement inter-canal de ∆ = ��z (∆ = . nm) et une variation de la
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longueur de couplage de ∆ = nm.
La vue layout des 4 liens à 16 anneaux est représentée à la Figure 6.20. Nous ne montrons pas le layout des 4 autres liens car il est très similaire à celui de la Figure 6.20. La vue globale de la puce photonique qui sera donnée dans la section 6.4 montrera le placement et la connexion de l’ensemble de ces liens avec les pads d’entrées / sorties. Un lien est constitué d’un guide droit sur lequel 16 anneaux sont couplés et régulièrement espacés. La sortie optique est divisée en deux branches par un coupleur directionnel. L’une des branches est connectée à un réseau de couplage ce qui permettra de collecter le signal lumineux par une fibre optique tandis que l’autre branche est connectée à une photodiode afin d’avoir également accès à une mesure électrique du signal modulé. Les anneaux intègrent chacun une résistance chauffante insérée au milieu de l’anneau. Les connexions de ces résistances sont réalisées en niveau de métal M2 et routées vers des pads électriques DC. Plusieurs capacités de découplage d’une valeur d’environ 1 pF sont également intégrées à proximité des anneaux afin de limiter l’amplitude des perturbations et protéger les composants optiques. Une matrice de piliers en cuivre de pitch 60 µm recouvre l’ensemble des liens WDM et permet l’assemblage de la puce électrique contenant les drivers. Cependant tous les anneaux ne seront pas pilotés par un driver. Certains seront directement connectés au générateur PRBS comme lors des caractérisations des anneaux 50G du Chapitre 3 afin de pouvoir comparer les performances de la transmission dans les deux cas. Les signaux électriques issus du générateur PRBS sont amenés au modulateur via des pads RF et une ligne de transmission RF qui est soit directement connectée à la jonction PN de l’anneau, soit connectée à un pilier en cuivre. Dans le cas d’une connexion directe, une résistance de 50 Ω est ajoutée en parallèle de la jonction afin d’éviter les réflexions vers le générateur. Dans le cas du driver, cinq piliers sont attribués par anneau μ 2 pour l’entrée RF du driver et sa sortie qui pilote la jonction PN, et 3 pour les signaux , et .
Figure 6.20. Layout des liens WDM. Les 4 liens à 16 canaux chacun sont représentés ici. Les autres liens à 12, 8 ou 4 anneaux ne